Vier alternative Wege der Energiegewinnung

06. August 2020

Windräder, Wasser­kraft­werke, Solar­anlagen auf Dächern oder Wiesen: Womit wir morgen „grünen Strom“ produzieren werden, scheint schon heute ausgemachte Sache. Forschende tüfteln aber noch an ganz anderen Methoden. So könnte etwa auch mit Wellen oder gar mit Luft­feuchtig­keit elektrische Energie gewonnen werden.

Auf Dächern, Fassaden, Feldern und selbst auf ehemaligen Deponien sind Solar­anlagen längst ein gewohntes Bild. Neuerdings hat die Solar­branche auch das Wasser für sich entdeckt. Auf einem Bagger­see bei Renchen, unweit der französischen Grenze, hat der badische Energie­versorger Erdgas Südwest eine schwimmende Solar­anlage installiert. Sie versorgt mit einer Leistung von 750 Kilowatt vor allem die Maschinen des dortigen Kies­werks mit Strom.

Aus Sicht von Energie Südwest hat Photovoltaik zu Wasser viele Vorteile: Anders als Anlagen an Land belegt sie keine gefragten Flächen, konkurriert also nicht etwa mit der Land­wirtschaft. Baden ist in Baggerseen aus Sicherheits­gründen ohnehin meisten­teils tabu. Und anders als manchmal auf Haus­dächern werden Solar­panels dort nicht verschattet und durch das Wasser sogar zusätzlich von unten gekühlt. Auf diese Weise liefern die Module bis zu 10 Prozent mehr Energie, die von den Baggern, Rüttlern und Förder­bändern direkt vor Ort genutzt werden kann – das schont die Strom­netze. Und auch die Seen selbst soll die schwimmende Solar­kraft ökologisch entlasten. Weil sie das Wasser unter sich verschatten, bremsen sie das Algen­wachstum, das stehenden Gewässern und deren Bewohnern in heißen Sommern den Sauer­stoff entzieht.

Energie Südwest zählt allein in ihrem Einzugs­bereich 150 Bagger­seen. Auch geflutete Stein­brüche, Stauseen, Wasser­reservoirs oder Braun­kohle­tage­bau-Seen gelten als viel­versprechende Einsatz­felder für schwimmende Photovoltaik. Das Solar­forschungs­institut SERIS in Singapur schätzt das globale Potenzial für Strom­erzeugung auf stehenden Gewässern auf 400.000 Megawatt – genug, um Hunderte Atom- oder Kohle­kraft­werke zu ersetzen.

Noch sind die Photovoltaik­anlagen rund 20 bis 25 Prozent teurer als jene auf der grünen Wiese. Und den Vorteilen bei der Energie­ausbeute steht möglicher­weise ein höherer Wartungs­aufwand durch Algen­bewuchs und die Hinter­lassen­schaften von Seevögeln entgegen. Experten rechnen aber damit, dass die Installations­kosten in naher Zukunft deutlich sinken werden. Gerade in dicht besiedelten Ländern mit vielen Wasser­flächen dürften solche Anlagen dann bedeutsam werden.

Weltweit nimmt die schwimmende Solar­kraft aber schon jetzt Fahrt auf. Von 1,1 Gigawatt Mitte 2018 hat sich die global installierte Leistung auf dem Wasser bis Ende 2019 auf 2 Gigawatt fast verdoppelt. Die größten und leistungs­fähigsten Anlagen schwimmen derzeit in China. In einem ehemaligen Kohle­abbau- und Über­schwemmungs­gebiet bei Suzhou wurde ein Solar­kraft­werk mit einer Nennleistung von 70 Megawatt gebaut, das sich über eine Fläche von 140 Hektar erstreckt.

In Europa haben sich, noch vor Großbritannien und Frankreich, die kleinen Nieder­lande zum großen Förderer und Vorreiter der Technik entwickelt. In einem 18 Hektar großen Bagger­see bei Zwolle schwimmt seit diesem Jahr die größte Anlage weltweit außerhalb Chinas. Sie hat eine Leistung von 27.4 Megawatt – genug, um 7.200 Haushalte mit Strom zu versorgen. Geht es nach dem nationalen Konsortium „Zon op Water“, werden in den Niederlanden bis 2023 Solar­kraft­werke mit einer Gesamt­leistung von 2 Gigawatt zu Wasser gegangen sein.

Metalle können sich bei hoher Luft­feuchtig­keit spontan aufladen, wie ein Arbeiter 1843 schmerz­haft erfahren musste. Er erlitt einen schweren Strom­schlag, weil sich eine Metall­ober­fläche in einem wasser­dampf­gefüllten Raum aufgeladen hatte. Physikalisch betrachtet, gehen bei diesem Phänomen Ionen von der Oberfläche auf die kleinen Wasser­tropfen in der Luft über. Je nach Art des Metalls findet dadurch eine positive oder negative Aufladung statt.

Wissenschaftler der israelischen Universität Tel Aviv haben auf Basis dieses Wissens einen neuartigen Akku entwickelt. Dazu suchten die Forschenden zunächst nach zwei Metallen, die sich möglichst unterschiedlich aufladen. Edelmetall und Zink erwiesen sich in den Experimenten als das elektrisierendste Paar: Stieg die Luft­feuchtig­keit auf über 60 Prozent, konnte eine Spannung von fast 1 Volt gemessen werden. Ein Effekt, der sich auch bei einem ersten Praxis­test auf dem Dach des Instituts einstellte.

Aus Sicht der Wissenschaftler ein viel­versprechendes Ergebnis. Schließlich liegt die Spannung der Feuchtig­keits­akkus dicht an der von 1,5-Volt-Batterien, mit denen sich Radios, Taschen­lampen, Wecker oder Fahrrad­lampen betreiben lassen. Auf Basis der Forschungen könnten künftig Batterien entwickelt werden, die sich über Luft­feuchtig­keit aufladen lassen. Davon sollen dann vor allem Menschen in tropischen Entwicklungs­ländern profitieren, wo die Luft­feuchtig­keit konstant hoch und das Stromnetz noch lücken­haft ist.

Wellen sorgen auf den Weltmeeren tagtäglich für gehörigen Wirbel. Treffen sie auf eine Küste, setzen sie Schätzungen zufolge dabei pro Meter eine Leistung von 15 bis 30 Kilowatt frei. Würde diese Energie voll­ständig in Strom verwandelt, könnte ein 30 bis 60 Kilometer langer Küsten­abschnitt ein großes Kohle­kraft­werk oder Kern­kraft­werk ersetzen. Rund ein Sechstel des weltweiten Strom­bedarfs wäre auf diese Weise zu stillen.

Nach den ersten Ölkrisen in den 1970er-Jahren versuchten Forschende erstmals, das gewaltige Potenzial der Wellen­energie zu heben. Doch diese Versuche blieben in den Ansätzen stecken – die verwendete Technik hielt der ebenso rauen wie salzigen Umgebung nicht stand oder war schlicht nicht effizient genug. Und mit dem sinkenden Ölpreis schmolz auch das politische Interesse an alternativen Energie­quellen. Wieder­entdeckt wurde die Wellen­kraft um die Jahr­tausend­wende. RWE, EnBW, e.on, Siemens und der Heidenheimer Turbinen­hersteller Voith investierten in unter­schiedliche technologische Ansätze, die mit teils sehr unter­schiedlichen Methoden die Wellen­bewegung an der Wasser­ober­fläche in mechanische Kraft umwandeln sollten.

Der Energiekonzern e.on beteiligte sich an den gewaltigen Wellen­wandlern, die das britische Unternehmen Pelamis Wave Power ab 2004 in der auf­gewühlten Nordsee vor den schottischen Orkney-Inseln testete: Die Glieder der 180 Meter langen und 1.300 Tonnen schweren „See­schlange“ aus rotem Stahl folgten der Bewegung der Wellen. Dabei aktivierten sie hydraulische Pumpen an ihren Gelenken, die ihrer­seits einen Generator antrieben. 2013 zog sich e.on jedoch aus dem Projekt zurück – die Entwicklung der Technologie habe sich zu sehr verzögert. Als weitere Investoren dem Auszug folgten, ging Pelamis 2014 in die Insolvenz. Auch andere Wellen­kraft­projekte erlitten finanziell Schiff­bruch oder blieben in der Demon­strations­phase stecken, weil ihre Effizienz oder Zuverlässigkeit unter den Erwartungen blieb.

Die großen Energieversorger haben sich heute aus der Wellenkraft zurück­gezogen, kleine Unternehmen tüfteln dagegen weiter an der Idee. Das bayerische Start-up SINN Power arbeitet an einer kosten­günstigen Wellen­kraft­werks-Technik, die sich modular erweitern lässt. Seit 2015 wird die Technologie im Hafen des griechischen Heraklion erprobt und hat nach Angaben des Unternehmens bereits sechs Meter hohe Wellen über­standen. Die schwimmende Plattform soll dabei auch mit Solar­zellen und kleinen Wind­rädern bestückt werden können, um in Zukunft etwa kleine Inseln in der Karibik mit „grünem Strom“ zu versorgen.

Regen lässt Pflanzen wachsen, könnte aber auch LED-Lampen zum Leuchten bringen – mittels Hydrovoltaik. Rinnt Regen über ein Dach, einen Schirm oder eine andere nicht­leitende Ober­fläche, erzeugt er eine Ladungs­spur. Die Tropfen sammeln die umgekehrte Ladung. Dieses bekannte Phänomen haben Physikerinnen und Physiker des Max-Planck-Instituts für Polymer­forschung in Mainz näher untersucht.

Sie entwickelten eine Methode zur Ermittlung der Ladungs­erzeugung und erdachten zusätzlich ein theoretisches Modell zum besseren Verständnis. Im nächsten Schritt wollen die Forschenden eine Ober­fläche entwickeln, die den Aufladungs­effekt best­möglich nutzt. So sollen zumindest kleinere Mengen an Strom erzeugt werden. Das könnte zum Beispiel den Bewohnern von einsamen und regen­reichen Gebieten zugute kommen, in denen es noch keine Elektrizität gibt.

Forschende aus Hongkong verfolgen einen anderen Ansatz. Sie wollen die Aufprall­energie von Regen­tropfen in Strom umwandeln. Dazu haben sie einen Nano-Strom­generator entwickelt, der Energie aus der Fall­höhe einzelner Tropfen erzeugen kann. Ein einzelner Wasser­tropfen auf 15 Zentimeter Höhe reiche ihrer Studie zufolge aus, um 100 LED-Lampen zum Leuchten zu bringen.

Damit das funktioniert, müssen die Tropfen aller­dings möglichst gleich­mäßig und aus gleicher Höhe auf die Oberfläche des Generators fallen. Für den Einsatz im Regen passten die Forschenden die Konstruktion so an, dass das Regen­wasser zunächst aufgefangen und dann durch feine Kapillaren in regel­mäßig fallende Tröpfchen geteilt wird.

Schlüssel zum Strom ist eine Schicht aus Indiumzinnoxid und Teflon, die sich mit jedem neuen Tropfen immer weiter elektrisch auflädt. Dadurch erzeuge der Generator auch auf kleiner Fläche tausend­mal so viel Leistung wie ein Generator ohne das Material. Aus Sicht der Forschenden bietet diese Technik großes Potenzial: An allen Orten der Welt, wo Regen fällt oder Wasser fließt, könnte mit einem solchen Generator elektrische Energie produziert werden – selbst auf einem Regen­schirm oder dem Rumpf einer Fähre. Zuvor haben die Wissenschaftler aber wohl noch viel Forschung vor sich. Denn einen kurzen Energie­stoß zu generieren gilt als vergleichs­weise einfach, genug Strom anzusammeln, um elektrische Geräte kontinuierlich zu versorgen, dagegen als erheblich schwerer.

*CC BY 3.0